本實(shí)用新型涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代社會(huì)中，機(jī)械能無處不見，但是很多看似微弱其實(shí)總量巨大的機(jī)械能卻大都被忽略并沒有被加以利用，如機(jī)動(dòng)車碾壓地面的能量、人走路踩踏地面的能量。目前，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授王中林等已經(jīng)利用摩擦起電和靜電感應(yīng)原理成功制備了摩擦發(fā)電機(jī)，該摩擦發(fā)電機(jī)能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽貏e是在對(duì)人體活動(dòng)等低頻能量的收集轉(zhuǎn)化方面有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是，上述的摩擦發(fā)電機(jī)中，大都是上電極和下電極分別處于不同的平面上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且須使用很多摩擦材料和電極材料，費(fèi)用較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題是提供一種單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為單電極結(jié)構(gòu)，包括摩擦層元件和電極層元件，摩擦層元件和電極層元件復(fù)合為一體，且位于同一個(gè)平面，電極層元件組成單個(gè)電極層，單個(gè)電極層向外電路輸出電信號(hào)。

其中，摩擦層元件在外力作用下與第二摩擦面接觸或分離，外力作用指的是拍打、踩踏、撫摸、振動(dòng)、揉搓等多種能量驅(qū)動(dòng)形式。

電極層元件和摩擦層元件通過濺射、電沉積或者粘合等方式組合成位于一個(gè)平面的一體式摩擦發(fā)電機(jī)。

摩擦層元件由高分子絕緣材料制成，且摩擦層元件表面經(jīng)過改性。

電極層元件由導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料或其他導(dǎo)電材料中的一種制成。

第二摩擦面為絕緣材料或非絕緣材料，如生活中人的鞋底、衣服、人體等。

摩擦層元件和電極層元件為薄膜或薄片，摩擦層元件和電極層元件為柔性材料或硬質(zhì)材料。

摩擦層元件由高分子絕緣材料制成，高分子絕緣材料選自聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛樹脂、氯丁橡膠、纖維素薄膜、天然橡膠、乙基纖維素、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、人造纖維、聚乙醇縮丁醛、纖維(再生)海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽、人造纖維薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物、派瑞林、木頭等。

電極層元件由導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料或其他導(dǎo)電材料中的一種制成，導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料或者其他導(dǎo)電材料可以選自金屬或合金，其中金屬可以是金、銀、鉑、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、硒、鐵、錳、鉬、鎢或釩；合金可以是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、錳合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、鉍合金、銦合金、鎵合金、鎢合金、鉬合金、鈮合金或鉭合金。除金屬或合金外，其他導(dǎo)電材料可以選自銦錫氧化物、石墨烯及其衍生物、離子摻雜的半導(dǎo)體、其他導(dǎo)電薄膜材料等。

摩擦層元件和電極層元件可以為多種尺寸和形狀，摩擦層元件和電極層元件可以為不同的顏色和不同的透明度。

摩擦層元件的表面經(jīng)過改性，改性手段分為物理改性和化學(xué)改性。物理改性常見的方法有化學(xué)刻蝕、光刻蝕、等離子刻蝕等增大摩擦層的比表面積；化學(xué)改性為通過引入其他納米材料或者不同極性的基團(tuán)對(duì)摩擦層或者電極層的表面進(jìn)行化學(xué)修飾。

該摩擦發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理基于金屬材料與高分子材料之間接觸摩擦引發(fā)的電荷分離，電荷經(jīng)電極層轉(zhuǎn)移引起電極與大地間的電勢(shì)不同，從而產(chǎn)生電流。

本實(shí)用新型的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

該發(fā)電機(jī)將兩電極集中在同一平面上，減少材料消耗，采用單電極一體式結(jié)構(gòu)，即將電極層元件和摩擦層元件集中在同一個(gè)平面上，引出一個(gè)電極輸出端，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用材料較少，所以價(jià)格低廉。不需要專門提供第二摩擦面，觸發(fā)模式可以使絕緣或者非絕緣材料，生活中人本身以及人的鞋底、衣服、輪胎、地毯、海綿等都可以充當(dāng)?shù)诙Σ撩?。所用材料為柔性材料，可以根?jù)具體環(huán)境改變形狀，因此對(duì)環(huán)境要求較小，且占地面積小。

總之，該發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)如下：

1、一體式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單電極輸出端。本實(shí)用新型包括兩部分構(gòu)成元件:摩擦層元件和電極層元件。其中電極層元件通過電沉積或?yàn)R射等方式與摩擦層元件復(fù)合為一體，構(gòu)造成單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)，該摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備容易。夾住電極層的一邊就可發(fā)電，突破了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)必須夾住發(fā)電機(jī)電極兩端才能構(gòu)成通路的限制。

2、不需刻意提供第二摩擦層，且能量驅(qū)動(dòng)形式多樣化。生活中的衣服、手套、鞋底等甚至是人體本身均可以充當(dāng)?shù)诙Σ撩媾c本實(shí)用新型的一體式摩擦發(fā)電機(jī)作用。并且該摩擦發(fā)電機(jī)適用于多種能量驅(qū)動(dòng)形式，即各種形式的機(jī)械能均可以被收集用來發(fā)電，如在對(duì)該摩擦發(fā)電機(jī)進(jìn)行抖動(dòng)、拍打、踩踏、撫摸、振動(dòng)、揉搓等能量驅(qū)動(dòng)形式下，該發(fā)電機(jī)都會(huì)顯示有電流輸出，拓寬了摩擦發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。

3、觸發(fā)模式絕緣非絕緣均可，設(shè)計(jì)靈活，應(yīng)用廣泛。本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，觸發(fā)模式絕緣非絕緣均可，并且對(duì)選用材料的硬度無要求，這些優(yōu)點(diǎn)為本實(shí)用新型中所提供的一體式摩擦發(fā)電機(jī)帶來更大的發(fā)展前景，如用在發(fā)光地毯，發(fā)光衣服，發(fā)光飾品，發(fā)光玩具等等，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電原理示意圖一；

圖3為本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電原理示意圖二；

圖4為本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電原理示意圖三；

圖5為本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電原理示意圖四；

圖6為本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為實(shí)施例2中一體式摩擦發(fā)電機(jī)輸出的電流譜圖。

其中：10-摩擦層元件；20-電極層元件；11-第二摩擦面。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有的摩擦發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問題，提供一種單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)能夠?qū)⑴拇颉⒉忍?、抖?dòng)、風(fēng)力、潮汐等自然存在的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，該摩擦發(fā)電機(jī)將電極層元件和摩擦層元件集中在一個(gè)平面上，形成了一種單電極輸出端的摩擦發(fā)電機(jī)，如圖1和圖6所示，該發(fā)電機(jī)包括摩擦層元件10和電極層元件20，摩擦層元件10和電極層元件20復(fù)合為一體，且位于同一個(gè)平面，電極層元件20組成單個(gè)電極層，單個(gè)電極層向外電路輸出電信號(hào)。電極層元件20和摩擦層元件10通過濺射、電沉積或者粘合方式組合成位于一個(gè)平面的一體式摩擦發(fā)電機(jī)。本實(shí)用新型的摩擦發(fā)電機(jī)為單電極輸出端，即電極層元件20上引出一個(gè)電極便于傳輸導(dǎo)出電荷；生活中人的鞋底、衣服、輪胎、地毯、海綿等摩擦起電的材料都可以充當(dāng)?shù)诙Σ撩?1，在外力如拍打、振動(dòng)、踩踏、撫摸等形式作用下，通過摩擦層元件10和電極層元件20向外電路傳輸出電信號(hào)。

摩擦層元件10為高分子絕緣材料(例如，高分子聚合物絕緣層)，主要為本實(shí)用新型一體式摩擦發(fā)電機(jī)提供一個(gè)摩擦表面，其材質(zhì)可以選自聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛樹脂、氯丁橡膠、纖維素薄膜、天然橡膠、乙基纖維素、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、人造纖維、聚乙醇縮丁醛、纖維(再生)海綿薄膜、 聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽、人造纖維薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物、派瑞林、木頭等。作為摩擦層元件的材料很多，此處僅列舉一些常見的材料，顯然這些材料并不能成為本實(shí)用新型保護(hù)的限制條件。

本實(shí)用新型中的摩擦層元件10采用硬質(zhì)材料和柔性材料均可，因?yàn)椴牧系挠捕炔⒉挥绊懩Σ涟l(fā)電機(jī)的摩擦效果。同樣，摩擦層材料的厚度對(duì)摩擦效果也沒有影響，因此本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求對(duì)材料的硬度和厚度進(jìn)行選擇，這里并不詳細(xì)的列舉，但是由此衍生出的各種設(shè)計(jì)應(yīng)該都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。本實(shí)施例中的摩擦層材料優(yōu)選為柔性的薄膜或薄片材料，可以360度彎折，厚度為50nm-5mm，優(yōu)選100nm-2mm，更優(yōu)選1μm-800μm，這些厚度對(duì)本實(shí)用新型中所有的技術(shù)方案都適用。

電極層元件20中的導(dǎo)電層材料需要具備能夠?qū)щ姷奶卣鳎梢赃x自金屬或合金，其中金屬可以是金、銀、鉑、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、硒、鐵、錳、鉬、鎢或釩；合金可以是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、錳合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、鉍合金、銦合金、鎵合金、鎢合金、鉬合金、鈮合金或鉭合金。除金屬或合金外，其他能夠?qū)щ姷牟牧弦部梢杂脕碇谱鲗?dǎo)電層，例如銦錫氧化物、石墨烯及其衍生物、離子摻雜的半導(dǎo)體、其他導(dǎo)電薄膜材料等?？梢詫?dǎo)電的材料很多，這里不進(jìn)行詳細(xì)的列舉，但是這些具體的材料不能夠成為本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制。

一體式單電極摩擦發(fā)電機(jī)的制作過程簡(jiǎn)單易行，通常采用磁控濺射、等離子體濺射、蒸鍍或者電化學(xué)沉積等方式將金屬或合金以及其他導(dǎo)電材料沉積到相應(yīng)的高分子聚合物摩擦層上，并引出一個(gè)電極?；蛘咄ㄟ^簡(jiǎn)單的粘膠方式將導(dǎo)電材料與摩擦層進(jìn)行組合，以保證導(dǎo)電層與摩擦層表面的緊密接觸，從而能夠達(dá)到電荷高效轉(zhuǎn)移的目的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員綜合摩擦層材料和導(dǎo)電材料的特點(diǎn)，能夠選擇合適的制備方法。本實(shí)施例中電極層元件中導(dǎo)電層的厚度可選范圍為10nm-5mm，優(yōu)選為50nm-1mm，更優(yōu)選為100nm-500μm。

本實(shí)用新型單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層元件10和電極層元件20 可以進(jìn)行改性以提高電荷的數(shù)量和轉(zhuǎn)移速率，改性手段分為物理改性和化學(xué)改性。物理改性常見的方法有化學(xué)刻蝕、光刻蝕、等離子刻蝕等增大摩擦層的比表面積，即保證該摩擦層與另一物體之間發(fā)生摩擦?xí)r的接觸面積增大，從而使接觸電荷增多；化學(xué)改性為通過引入其他納米材料或者不同極性的基團(tuán)對(duì)摩擦層或者電極層的表面進(jìn)行化學(xué)修飾，能夠達(dá)到實(shí)現(xiàn)電荷的高效儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)摩擦層和導(dǎo)電層材料的不同選擇合適的修飾方法，因此在本實(shí)用新型一體式摩擦發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)摩擦層元件10和電極層元件20的修飾都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本實(shí)用新型的單電極一體式摩擦發(fā)電機(jī)，因?yàn)閷?duì)摩擦層和導(dǎo)電層材料的選取和后期改性修飾的不同，可以呈現(xiàn)不同的透明度或者顏色。同樣，可以對(duì)摩擦層進(jìn)行不同形狀的設(shè)計(jì)，如圖6為一種典型的一體式摩擦發(fā)電機(jī)的示意圖，其中的摩擦層為連續(xù)的網(wǎng)格形狀。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對(duì)摩擦層和導(dǎo)電層材料進(jìn)行選擇加工，因此在本實(shí)用新型一體式摩擦發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)用新型的不同透明度、顏色、不同形狀的一體式摩擦發(fā)電機(jī)都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本實(shí)用新型的一體式摩擦發(fā)電機(jī)包括摩擦層元件10和電極層元件20，為了方便實(shí)際應(yīng)用并且對(duì)電極層元件20進(jìn)行保護(hù)，可以為其加上基底，基底材料選用絕緣的高分子聚合物。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行靈活選擇加工，因此是否具備基底材料的一體式摩擦發(fā)電機(jī)都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

當(dāng)外界存在且與該摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層的摩擦電極序不同的多種物體，如衣服、鞋底、手套等與本實(shí)用新型一體式摩擦發(fā)電機(jī)之間發(fā)生摩擦起電和靜電感應(yīng)時(shí)，該摩擦發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，對(duì)外電路進(jìn)行做功。本實(shí)用新型的一體式摩擦發(fā)電機(jī)可以通過多種形式進(jìn)行發(fā)電，如對(duì)其拍打、踩踏、撫摸、振動(dòng)等。

現(xiàn)以帶有丁腈手套充當(dāng)?shù)诙Σ撩?1，拍打的發(fā)電方式為例對(duì)本實(shí)施中的一體式摩擦發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程進(jìn)行具體的闡述，具體如下：

當(dāng)帶有丁腈手套的手對(duì)一體式摩擦發(fā)電機(jī)進(jìn)行拍打時(shí)，兩者之間發(fā)生周期性地接觸和遠(yuǎn)離，其中該一體式摩擦發(fā)電機(jī)為單電極輸出端與外電路和大地之 間形成回路，結(jié)合附圖2、圖3、圖4和圖5對(duì)發(fā)電原理進(jìn)行闡述。當(dāng)帶有丁腈手套的手與摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層接觸時(shí)，由于摩擦起電效應(yīng)，摩擦層元件10表面和丁腈手套表面分別會(huì)產(chǎn)生等量相反的靜電荷。當(dāng)兩者分離時(shí)，由于靜電感應(yīng)原理電極層元件20上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的靜電荷，該靜電荷的符號(hào)與丁腈手套表面帶有的電荷同號(hào)但是數(shù)量不等，此時(shí)在外電路產(chǎn)生電流，帶有丁腈手套的手達(dá)到遠(yuǎn)離極限時(shí)電荷平衡。當(dāng)帶有丁腈手套的手再次按反向運(yùn)動(dòng)靠近摩擦發(fā)電機(jī)時(shí)，產(chǎn)生的電流方向與上述方向相反，完全接觸時(shí)兩者所帶的靜電荷達(dá)到平衡，回到初始狀態(tài)。在反復(fù)拍打摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層時(shí)，該摩擦發(fā)電機(jī)不斷地重復(fù)上述發(fā)電過程，從而實(shí)現(xiàn)將拍打產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中提供一種新型的不透明柔性超薄單電極一體式摩擦納米發(fā)電機(jī)。本實(shí)施例中選用透明的PET為基底，摩擦層元件10選取為電負(fù)性較強(qiáng)的PTFE膜，電極層元件20選取為導(dǎo)電性較強(qiáng)且不透明的鋁箔。本實(shí)施例中的一體式摩擦發(fā)電機(jī)通過簡(jiǎn)單粘合的方式制備，其中電極層元件的厚度為270μm，具備良好的柔性，可以360度彎折。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中提供一種新型的透明柔性超薄單電極一體式摩擦納米發(fā)電機(jī)。本實(shí)施例中摩擦層元件10選取透明的FEP薄膜，電極層元件20選取為導(dǎo)電性較強(qiáng)且透明的ITO膜。本實(shí)施例中采用磁控濺射的方式將ITO電極層鍍?cè)贔EP薄膜上，整個(gè)一體式摩擦發(fā)電機(jī)的厚度為90μm，同樣具備良好的柔性，可以360度彎折。

圖7為本實(shí)施例2中透明柔性超薄單電極一體式摩擦納米發(fā)電機(jī)，以帶有丁腈手套的手指按壓方式發(fā)電的電流的輸出信號(hào)示意圖，該摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠點(diǎn)亮LED燈，因此證明該發(fā)電機(jī)的短路電流信號(hào)真實(shí)可信。

以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。